基于UDEC數值模擬的薄煤層上保護層無煤柱全面卸壓開采分析

鄧成海 魏中舉 謝小平 張鑫 吳高文

摘 要：針對薄煤層煤層開挖后覆巖破裂移動規律、煤巖體應力和變形分布特征一般特征規律，運用UDEC4.0數值模擬軟件對薄煤層上保護層開采的采場應力場特征及工作面礦壓顯現規律、上覆巖層活動機理、下保護層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護效果進行模擬研究分析，進而為薄煤層上保護層巷旁充填沿空留巷無煤柱開采的全面卸壓技術現場應用效果提供理論依據。

關鍵詞：無煤柱開采;全面卸壓;數值模擬

0引言

我國厚度小于1.3m的薄煤層，資源分布廣泛，全國84.2%的礦區均有薄煤層分布，由于薄煤層開采難度大、投入產出比低等原因，產量只占總產量的10.4%，所以未來我國對薄煤層的開采將會更加廣泛。 因此就薄煤層開采的采場應力場特征及工作面礦壓顯現規律、上覆巖層活動機理、下保護層卸壓開采的卸壓范圍以及卸壓保護效果進行模擬研究分析，進而為薄煤層上保護層巷旁充填沿空留巷無煤柱開采的全面卸壓技術現場應用效果提供理論依據。

1 礦井基本概況

某煤礦位于六盤水市大灣鎮和威寧縣東風鎮境內，全長約50km。該煤礦為平硐+斜井開拓，單水平上下山開采，開采方式為走向長壁后退式，采用綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板，設計生產能力90萬t/a，服務年限79a。井田含可采及局部可采煤層6層，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤層，總厚度一般為11.27米，主要可采煤層為2#、4#、11#，局部可采煤層為7#、8#、9#，煤層平均傾角在7～12°。礦井屬于煤與瓦斯突出礦井，建礦至今在11#煤層掘進工作面發生過4次瓦斯動力現象。根據《某煤礦2009年度礦井瓦斯等級鑒定報告》，全礦井絕對瓦斯涌出量為78.03m3/min（其中四采區絕對瓦斯涌出量為43.27m3/min，三采區絕對瓦斯涌出量為34.76m3/min），相對涌出量為36.26 m3/t。

2 上保護層無煤柱開采全面卸壓理論分析

某煤礦屬于高瓦斯低透氣性煤層群開采條件，且煤層具有突出危險性。為提高下部7號、8號、9號、11號煤層預抽瓦斯的效果，實現下部突出危險性煤層的卸壓防突，研究確定采用切頂卸壓爆破預裂一次成巷技術，對4號較薄煤層進行上保護層無煤柱開采。

根據圖1（a）、（b）分析可知，若上保護層工作面留設區段煤柱，采空區下方煤層應力降低，形成卸壓區域;而區段煤柱下方煤層應力增高，形成卸壓盲區，下部煤層在以后開采過程中將增加突出危險性;若采用切頂卸壓爆破預裂一次成巷技術，保護層工作面不留設區段煤柱，不僅煤柱煤炭資源將被回收，而且原煤柱下部不會出現應力集中，實現下部煤層的全面卸壓，降低了下部煤層的突出危險性。

根據國內外大量保護層開采實踐表明，若被保護煤層要實現卸壓保護，被保護煤層的卸壓膨脹變形必須大于6‰，故卸壓盲區可定義為[1-4]：保護層開采時，被保護煤層卸壓法向膨脹變形小于6‰的區域。根據圖1（a）分析可推導出上部保護層工作面開采留設區段煤柱時，下部被保護煤層中卸壓盲區的面積為：

式中：S為下部被保護煤層中卸壓盲區的面積，m2;δ1為上保護層工作面傾斜方向上的下端卸壓角（如圖1（a）所示）， o;δ2為上保護層工作面傾斜方向上的上端卸壓角（如圖1（a）所示）， o;d為上部保護層工作面留設區段煤柱的寬度，m;L為上部保護層工作面留設區段煤柱的長度，m;l為下部被保護煤層與上部保護煤層之間的縱向垂距，m。

某煤礦4號較薄煤層為近水平煤層，根據經驗數據取卸壓角75o，若40403上保護層工作面留設寬度為20m的區段煤柱時，則區段煤柱下部7號煤層中卸壓盲區的面積計算約為9890.7m2，區段煤柱下部8號煤層中卸壓盲區的面積計算約為11899.8m2，區段煤柱下部11號煤層中卸壓盲區的面積計算約為19464.1m2。

3 構建薄煤層上保護層無煤柱全面卸壓開采的數值模型

根據該煤礦4號較薄煤層現場地質條件，選用UDEC4.0巖層數值模擬軟件[1-4]進行模擬開挖，以現場40403工作面沿傾斜方向的剖面為原型，建立煤巖層縱向剖面的數值計算模型，如圖2所示。工作面傾向模型尺寸為400 m×100m（長×高），模擬4號煤層傾角為9°，煤層厚度為1.07 m，采高1.6m，直接頂厚4.62 m，基本頂厚13.47 m，埋深340 m，施加上覆巖層的自重載荷為8.1 MPa。

4 模擬的內容及方案設計

本次數值模擬對比分析40403上保護層工作面不留設區段煤柱和留設不同寬度的區段煤柱時，下伏煤巖層垂直應力及垂直位移變形的規律，從而推導無煤柱開采和留設區段煤柱時下部煤層卸壓的不同效果，據此設計三種模擬方案：（1）工作面不留設區段煤柱;（2）留設寬度為20m的區段煤柱;（3）留設寬度為30m的區段煤柱。

5 數值模擬結果分析

為了對比分析40403上保護層工作面不留設區段煤柱和留設不同寬度的區段煤柱時，下伏煤巖層垂直應力及垂直位移變形的規律，從而分析無煤柱開采和留設區段煤柱時下部煤層卸壓的不同效果。從數值模型左邊20m處開始開挖，分別在下部7號、8號煤層中部布置一條觀測線，40403上保護層在工作面無煤柱和留設寬度為20m、30m區段煤柱時，下部煤層垂直應力變化如圖3（a）、（b）所示。

數值模擬結果分析如下：

1）由圖3（a）、（b）可知，上保護層工作面開采留設區段煤柱時，在煤柱位置下方的7號、8號煤層中將出現垂直應力集中，且應力集中范圍隨著上保護層工作面留設區段煤柱寬度的減小而減小;當上保護層工作面不留設區段煤柱時，在原留設區段煤柱位置下方的7號、8號煤層中將不會出現垂直應力集中。

2）從上圖中可以看出，當上保護層工作面留設寬度30m的區段煤柱，煤柱下方的7號煤層垂直應力為11.7MP，約為原巖應力的1.44倍，8號煤層垂直應力為11.57MP，約為原巖應力的1.43倍;當不留設區段煤柱時，原留設煤柱位置下方的7號煤層垂直應力為-2.94MP，8號煤層垂直應力為-3.12MP，即上保護層工作面原留設煤柱位置下方的7號、8號煤層消除了卸壓盲區，實現了煤層的全面卸壓。

6切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采設計

40403風巷設計寬度3.4m、高度2.3m。實施切頂卸壓成巷后，采用“錨索+工字鋼點柱+單體支柱+掛網+噴漿”進行加強支護。具體要求：

1）超前于工作面煤壁前方30m范圍內，提前采用“單錨索+一梁二錨索”對頂板進行加固支護。其中：單錨索按1.0m間距布置在距巷道采煤幫0.5m處，且要求布置方向與巷道走向一致;一梁二錨索按2.0m的間距布置在巷道頂部設計位置。然后再在錨索強化支護范圍內實施定向切縫爆破作業切縫。加強錨索長5.4m，直徑15.24mm，外露長度300mm，錨固長度不小于1.0m;錨索托盤：托盤為300mm×300mm×10mm蝶形托盤;加強錨索要求超前動壓單體之前施工，預緊力6t。

2）在工作面投產前及項目實施過程中，均提前機、風巷進行超前支護。具體要求是：工作面煤壁前方0～10m段，采用雙排戴帽單體液壓支柱靠兩幫支護;前方10～20m段，采用單排戴帽單體液壓支柱靠采面側支護，柱距1.0m，且確保人行寬度≮0.8m。所有單體液壓支柱均要求支設成排、成線，根根拴油絲繩，并確保支柱初撐力≮11.4MPa（90KN）。

3）對工作面煤壁后方40.0m范圍內，在距離切頂線采煤幫1.2m位置，按1.0m柱距支設單排單體支柱。工作面煤壁后方40.0m以外的地段，當壓力趨于穩定后，即對單體支柱進行回撤。并在巷道距離采煤幫0.3m處，按0.6m的間距均勻支設工字鋼點柱進行強化支護，要求工字鋼點柱垂直于煤層頂底板，其柱窩深度≮0.3m，且必須根根戴木帽、木墊子;其中：工字鋼點柱、單排單體支柱滯后于工作面最末一架支架尾部的距離≯1.0m。

并在工字鋼靠采空區側鋪設鋼筋網，網與網之間用14#鉛絲扭接緊固（控制網子頂面與煤層頂板之間的間距≯0.2m）。

5）在周期來壓期間，對于局部地段頂板未切落懸頂狀態超過30m，即考慮補打炮眼進行強制放頂，避免或減少局部老頂在懸臂狀態引起的壓力增大，從而導致巷道變形量加大現象。

待工作面采完后，根據垮落巖石的塊度及采空區壓力顯現情況，考慮對沿空留巷切頂段南幫進行噴漿支護。若垮落巖石較大，無竄矸可能，則無需進行噴漿支護。

參考文獻：

[1]霍丙杰，范張磊，路洋波，等.保護層開采被保護層體積應變與滲透特性相似模擬研究[J].煤炭科學技術，2018，46（7）：19-25.

[2]孫國文，羅甲淵，羅斌玉.采動巖層滲透率與應力耦合關系數值模擬研究[J].煤礦安全，2018，49（1）：212-217.

作者簡介：

鄧成海（1997.09-）男，漢，貴州赫章縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習研究

項目基金：國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：202010977017

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院? ?六盤水市? ?553004）